煤礦井下磁化水與表面活性劑高效協(xié)同降塵技術(shù)

秦波濤，周 群，李修磊，王 俊，王懷增，丁仰衛(wèi)

(1.中國礦業(yè)大學(xué) 煤礦瓦斯與火災(zāi)防治教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221116; 2.中國礦業(yè)大學(xué) 安全工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116; 3.山東魯泰控股集團(tuán)有限公司 鹿洼煤礦，山東 濟(jì)寧 272000)

煤礦井下磁化水與表面活性劑高效協(xié)同降塵技術(shù)

秦波濤1,2，周 群1,2，李修磊3，王 俊1，王懷增3，丁仰衛(wèi)3

(1.中國礦業(yè)大學(xué) 煤礦瓦斯與火災(zāi)防治教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221116; 2.中國礦業(yè)大學(xué) 安全工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116; 3.山東魯泰控股集團(tuán)有限公司 鹿洼煤礦，山東 濟(jì)寧 272000)

為更有效地防治井下易于飄散的小粒徑粉塵，基于表面活性劑與磁化協(xié)同降塵理論，通過溶液表面張力、接觸角性能測試實(shí)驗(yàn)，研究了磁化對溶液濕潤降塵性能的影響，研發(fā)了一種能與磁化發(fā)生良好增效作用的活性添加劑，研究得出磁化與活性劑耦合作用能提高溶液濕潤粉塵性能的最佳磁化參數(shù),即磁場強(qiáng)度350 mT、水流速度4 m/s，并以此結(jié)合脈動(dòng)切割磁化與螺旋擾流的高效磁化原理，發(fā)明了一套井下降塵用活性磁化水的高效磁化裝置及系統(tǒng)，經(jīng)現(xiàn)場應(yīng)用表明:0.03%復(fù)配活性劑溶液經(jīng)高效磁化裝置在最佳磁化參數(shù)的脈動(dòng)切割磁化作用下，其降塵能力提高9%以上;相對于現(xiàn)有水噴霧降塵技術(shù)，該新型降塵技術(shù)對井下全塵及呼塵的除去效率分別提高了31.79%，44.94%，改善了井下工作環(huán)境。

綜采工作面;粉塵;活性磁化水;磁化裝置;降塵效率

煤炭是我國的主要能源，隨著采掘機(jī)械化水平的不斷提高，煤礦井下粉塵產(chǎn)生量也日益增大，尤其在采掘工作面生產(chǎn)作業(yè)過程中，粉塵濃度常常達(dá)到1 000 mg/m3以上[1]，對井下職工的身心健康造成極大威脅，煤礦每年因塵肺病死亡的人數(shù)已超過其他所有煤礦事故死亡人數(shù)的總和[2-3]。此外，我國85%左右煤礦煤塵具有爆炸危險(xiǎn)性，一旦發(fā)生粉塵爆炸事故，將造成重大人員傷亡及經(jīng)濟(jì)損失[4]。因此，煤礦井下粉塵防治是煤礦安全生產(chǎn)與職業(yè)健康迫切需要解決的重大問題。

目前，國內(nèi)外學(xué)者對煤塵防治開展了大量的理論及技術(shù)研究[5-7]，特別是針對煤礦降塵應(yīng)用最為廣泛的水除塵技術(shù)方面;雖然取得了較好的降塵效果，但由于煤塵高疏水性的特點(diǎn)，煤礦井下粉塵仍未得到很好的抑制。為改善水對煤塵的濕潤性能，表面活性劑得到了大力發(fā)展，雖然利用自身所具有的活性基團(tuán)高效改善了水濕潤煤塵的能力，但其降塵添加濃度較大[8-9]，致使使用成本過高，限制了此項(xiàng)技術(shù)在井下的推廣應(yīng)用。此外，水磁化處理技術(shù)近年來受到人們越來越多的關(guān)注，研究表明磁化能使水的理化性質(zhì)發(fā)生變化，較大幅度提高水噴霧降塵效率[10-11]。雖然磁化水降塵是一種環(huán)保、低成本的技術(shù)，但僅僅依靠磁化水仍不能有效解決井下粉塵問題，因?yàn)閱渭兇艌龃呕纳扑疂駶櫺阅艿哪芰κ怯邢薜腫12]。

為了發(fā)揮現(xiàn)有表面活性劑與磁化在降塵方面的優(yōu)勢，本文提出了一種新型活性磁化水降塵技術(shù)，將提高水濕潤性能的化學(xué)改變法(表面活性劑)與物理改變法(磁化)有機(jī)結(jié)合，增強(qiáng)溶液濕潤降塵性能并降低使用成本，該技術(shù)所使用的新型復(fù)配活性添加劑僅為除塵用水量的0.03%;此外，針對傳統(tǒng)磁化裝置磁場強(qiáng)度不均衡、穩(wěn)定性差的問題，基于脈動(dòng)切割磁化及螺旋擾動(dòng)的耦合磁化原理，發(fā)明了一種適用于煤礦井下狹小空間環(huán)境的活性磁化水產(chǎn)生系統(tǒng)及裝置;通過現(xiàn)場應(yīng)用表明，該新型降塵技術(shù)能有效降低井下粉塵濃度，改善工作環(huán)境。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料及裝置

在選用表面活性劑時(shí)，考慮到煤塵一般帶有負(fù)電荷，如果采用陽離子活性劑，當(dāng)其與煤塵接觸時(shí)，帶正電荷的親水基與帶負(fù)電荷的煤塵結(jié)合，疏水基排布在溶液表面，煤塵不易被溶液濕潤，因此，煤礦井下降塵一般不采用陽離子及兩性表面活性劑。同時(shí)考慮表面活性劑應(yīng)具有不易燃、無刺激性氣味、易溶于水、能高效改善溶液濕潤性能等的特性，本文選取了7種常用活性劑(表1)來進(jìn)行單體活性劑的優(yōu)選及復(fù)配，材料均采購于山東臨沂綠森化工有限公司;永磁鐵生產(chǎn)于上海正國磁鐵有限公司，尺寸為60 mm×40 mm×4 mm;壓片所用煤樣為1/3焦煤，取自鹿洼煤礦，壓碎至325目以上。本文所使用的實(shí)驗(yàn)儀器主要包括JYW-200B型表面張力儀(河北承德試驗(yàn)儀器廠)、JGW-360B型接觸角測定儀(承德市成惠試驗(yàn)機(jī)有限公司)、FY-24型壓片機(jī)(天津市思創(chuàng)精實(shí)科技發(fā)展有限公司)、TM-701型高斯計(jì)(KANETEC，日本)、粉塵采樣儀(北京中諾遠(yuǎn)東科技有限公司)。

表1初選單體表面活性劑
Table1Choosingsurfactantsusedtotheoptimalexperimentsofsurfactants

名稱簡稱類別價(jià)格/(元·kg-1)十二烷基苯磺酸鈉(工業(yè)級)SDBS陰離子2.0十二烷基硫酸鈉SDS陰離子12.0脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸鈉AES陰離子12.5拉開粉BX陰離子20.0脂肪酸甲酯乙氧基化物FMEE非離子15.0脂肪醇聚氧乙烯醚AEO非離子19.0壬基酚聚氧乙烯醚NP-10非離子25.0

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

(1)傳統(tǒng)表面活性劑雖然降塵效果較好，但存在使用量大、成本高的缺點(diǎn)，無法在井下大范圍應(yīng)用。為了達(dá)到高效降塵的目的，同時(shí)也為了克服傳統(tǒng)活性劑的不足，對所選表面活性劑通過表面張力實(shí)驗(yàn)進(jìn)行單體優(yōu)選及復(fù)配實(shí)驗(yàn)研究，確定所需單體活性劑的種類，并結(jié)合接觸角實(shí)驗(yàn)，最終確立制備活性磁化水所需活性劑的最優(yōu)復(fù)配方法。

(2)活性磁化水是由含有一定濃度表面活性劑的溶液垂直穿過磁場獲得的，其性能的好壞與磁場參數(shù)的設(shè)定有關(guān)，如穿過磁場的水流速度、磁場強(qiáng)度。因此，為了研究磁化與活性劑兩者間的耦合作用，獲得最優(yōu)磁化參數(shù)來設(shè)計(jì)活性磁化水產(chǎn)生裝置，對不同水流磁化速度、磁場強(qiáng)度作用條件下溶液所具有的表面張力、接觸角進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 單體活性劑的優(yōu)選

對大部分表面活性劑溶液來說，其所具有的表面張力越小，接觸角也就越小，煤塵的濕潤性就越好。因此，為了獲得濕潤性較好的單體活性劑，對不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)活性劑溶液的表面張力進(jìn)行研究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

圖1 活性劑溶液表面張力隨質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化趨勢Fig.1 Surface tension change of surfactant solution as a function of mass fraction

如圖1所示，在一定活性劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)范圍內(nèi)，所選擇的7種活性劑溶液表面張力隨質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，其數(shù)值大幅度降低。所選大部分活性劑在質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到一定數(shù)值(0.05%)后，溶液表面張力變化趨于平穩(wěn)。此外，對比不同活性劑溶液表面張力可以得出，BX對溶液表面張力作用效果較弱;活性劑SDBS與SDS對溶液表面張力作用效果較為接近，但是結(jié)合表1所列出的成本，SDS的使用成本較SDBS有了明顯的提高。同時(shí)對比非離子活性劑對溶液性能的影響，NP-10相對于其他2種非離子活性劑，作用效果較差且使用成本較高。因此，在實(shí)驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合易獲取、價(jià)格低廉、能高效改善溶液濕潤性能的原則，從中剔除了一部分活性劑，如無法高效改善溶液濕潤性能的BX，雖然對表面張力作用效果較好，但其降塵成本較高，不利于煤礦長期使用的SDS和NP-10。最終，優(yōu)選出了4種活性劑進(jìn)行兩兩間的復(fù)配實(shí)驗(yàn)，即陰離子活性劑SDBS，AES，非離子活性劑FMEE，AEO。

2.2 新型活性磁化水添加劑的研制

2.2.1活性劑復(fù)配實(shí)驗(yàn)研究

通過對不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)活性劑溶液表面張力的測定，可以得出在活性劑質(zhì)量濃度0.05%時(shí)溶液表面張力已趨于最小值，考慮到復(fù)配活性劑增效效應(yīng)的存在，可能會(huì)使活性劑臨界膠束濃度變得更小，因此為了便于比較活性劑復(fù)配效果，設(shè)定復(fù)配活性劑質(zhì)量濃度為0.03%，采用2種單體活性劑質(zhì)量比5∶1的形式分別配制12種復(fù)配活性劑溶液。

與單體活性劑溶液相比，大部分復(fù)配活性劑溶液表面張力都呈現(xiàn)下降的趨勢，這說明復(fù)配得到的溶液具有更強(qiáng)浸潤煤塵的能力;同時(shí)對比表2數(shù)據(jù)得出，SDBS:FMEE復(fù)配活性劑溶液表面張力較低，與濕潤性更好的AES:FMEE，F(xiàn)MEE:AEO復(fù)配溶液的表面張力相差不大，但其使用成本要低很多;同時(shí)在復(fù)配實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，高濃度液體AEO，AES活性劑在水溶液中溶解速度較慢，不利于復(fù)配實(shí)驗(yàn)，因此，最終選擇SDBS與FMEE來開展系統(tǒng)的復(fù)配溶液性能測試實(shí)驗(yàn)。

表2復(fù)配活性劑表面張力測試值
Table2Surfacetensionofthecompoundingsolution

復(fù)配活性劑表面張力/(mN·m-1)復(fù)配活性劑表面張力/(mN·m-1)SDBS:AES34.63FMEE:SDBS30.88SDBS:FMEE30.24FMEE:AES32.11SDBS:AEO36.53FMEE:AEO29.78AES:SDBS33.58AEO:SDBS33.56AES:FMEE29.87AEO:AES32.78AES:AEO32.47AEO:FMEE32.01

2.2.2新型活性磁化水添加劑的確立

為獲得一種高效、低成本降塵用表面活性劑，實(shí)驗(yàn)室優(yōu)選了陰離子活性劑SDBS與非離子活性劑FMEE來進(jìn)行不同質(zhì)量比及質(zhì)量分?jǐn)?shù)條件下的復(fù)配溶液濕潤性能研究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2，3所示。

圖2 不同陰-非活性劑質(zhì)量比對溶液表面張力的影響Fig.2 Surface tension change of solution against mass ratio

圖3 不同配制條件下溶液濕潤性能變化趨勢示意Fig.3 Feature changes of solution under the various conditions

如圖2所示，隨著活性劑SDBS，F(xiàn)MEE間質(zhì)量比的變化，其溶液表面張力發(fā)生了不同程度地改變，這是由于不同種類活性劑與水結(jié)合的形式不盡相同，當(dāng)陰-非離子表面活性劑發(fā)生混合時(shí)，陰-非活性劑親水基吸附方式間會(huì)發(fā)生協(xié)同增效作用，即陰離子活性劑親水基由于庫倫斥力的存在使得SDBS在溶液界面所形成的隔離層較為疏松，當(dāng)與FMEE混合后，F(xiàn)MEE所具有的親水基會(huì)插入SDBS活性劑在溶液表面所形成的親水基團(tuán)簇空隙中，使表面活性劑在氣-水界面所形成的親水基層變得更加致密，進(jìn)一步減少空氣與溶液的接觸[13-14]，使得復(fù)配活性劑溶液具有更小的表面張力。從圖2還可得出，當(dāng)陰-非復(fù)配質(zhì)量比低于5∶1后，表面張力趨于平穩(wěn)并有小幅度地升高。因此，為使溶液具有最優(yōu)濕潤降塵性能，確定溶液陰-非活性劑最佳質(zhì)量比為5∶1。

如圖3(a)所示，在一定質(zhì)量分?jǐn)?shù)范圍內(nèi)，所選單體及復(fù)配活性劑溶液表面張力隨活性劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而大幅減小，且復(fù)配活性劑C在質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.03%時(shí)，其表面張力趨于最小值，而單體活性劑SDBS，F(xiàn)MEE溶液最小表面張力值則出現(xiàn)在0.05%附近，相比較可以得出復(fù)配活性劑C在陰-非活性劑相互作用下，其臨界膠束濃度比單體活性劑SDBS，F(xiàn)MEE降低了40%左右，極大降低了降塵用活性劑的使用量及成本;同時(shí)也驗(yàn)證了以上所提到的活性劑SDBS與FMEE間的復(fù)配增效性能。除此之外，為了進(jìn)一步驗(yàn)證復(fù)配活性劑C對煤塵所具有的強(qiáng)濕潤性能，選取0.03%的活性劑SDBS，F(xiàn)MEE,C溶液分別進(jìn)行了接觸角測試實(shí)驗(yàn)，并選取了10 s時(shí)刻接觸角圖像來進(jìn)行對比(圖3(b))，得出在單體活性劑SDBS與FMEE增效作用下，其復(fù)配得到的活性劑C對煤樣具有極好的濕潤性能，其接觸角有了較大幅度地降低。綜合上述，由單體活性劑SDBS，F(xiàn)MEE復(fù)配得到的活性劑C能高效濕潤沉降煤塵且考慮到經(jīng)濟(jì)成本，其最佳降塵使用量確定為噴霧降塵用水量的0.03%。

2.3 活性磁化水協(xié)同作用及裝置設(shè)計(jì)研究

2.3.1活性磁化水協(xié)同增效作用研究

表面活性劑對水性能的改變主要是通過其具有的活性基團(tuán)在水表面形成隔離層來實(shí)現(xiàn)的，該方式可以說是化學(xué)方式改變法;而出于經(jīng)濟(jì)和長期使用的原則，通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)及結(jié)合大量實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，水在磁場作用條件下，其所具備的某些性能，如表面張力、濕潤性也會(huì)發(fā)生不同程度地變化[15-16]，因此本文設(shè)想:磁場能增強(qiáng)溶液的濕潤降塵性能。為了驗(yàn)證磁化與活性劑兩者間的協(xié)同降塵效應(yīng)，將對0.03%復(fù)配活性劑溶液C開展不同磁場強(qiáng)度、水流磁化速度條件下溶液濕潤性能研究，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖4 溶液性能隨不同磁化作用的變化Fig.4 Effect of various magnetic conditions on solution characteristics

如圖4所示，在一定的磁場強(qiáng)度及水流速度范圍內(nèi)，0.03%復(fù)配活性劑溶液所具有的性能(表面張力、接觸角)在磁化作用下均呈現(xiàn)出了下降的趨勢，這主要是因?yàn)榛钚詣┡c磁化間具有協(xié)同增效作用，即活性劑溶液通過自身攜帶的活性基團(tuán)在溶液界面形成親水基層來隔絕溶液與空氣的接觸，進(jìn)而改善溶液濕潤性能;而磁化可通過破壞分子間的氫鍵來降低溶液黏聚力，使活性劑溶液降塵能力增強(qiáng)。通過氫鍵連接，水溶液分子一般以分子團(tuán)簇形式存在，使得溶液黏聚力較大而不利于溶液的鋪展。然而這種氫鍵在溶液分子運(yùn)動(dòng)的作用下，總是處在不斷破裂與形成這一可逆過程中;當(dāng)活性劑溶液穿過磁場時(shí)，由于在外磁場的作用下，溶液分子運(yùn)動(dòng)加劇，溶液內(nèi)部分子結(jié)構(gòu)所含有的氫鍵更易于發(fā)生斷裂，使得分子團(tuán)簇結(jié)構(gòu)變?yōu)樾〉姆肿蛹瘓F(tuán)，降低了溶液黏聚力，溶液在固體表面鋪展能力增強(qiáng)，進(jìn)而提高了溶液對粉塵的濕潤性能[12,17-19];同時(shí)從上述實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果還可得出，在磁場強(qiáng)度350 mT、水流磁化速度4 m/s時(shí)，活性劑溶液所具有的性能(表面張力、接觸角)趨于最優(yōu)化，即表面張力降至28.07 mN/m，較非磁化溶液降低了7.2%，接觸角也減小到27.02°。然而，當(dāng)超過上述最佳磁化參數(shù)后，所測活性劑溶液的表面張力及接觸角反而呈現(xiàn)出增加的趨勢，究其原因，在超過最佳磁化作用下，部分陰離子活性劑親水基逃離水分子表面，造成陰-非離子活性劑分子與水分子之間的吸附排布方式發(fā)生改變，致使空氣與活性劑溶液間的隔離層發(fā)生松動(dòng)，使得陰-非活性劑的協(xié)同作用減弱，進(jìn)而降低了溶液濕潤粉塵的能力，如圖5所示。因此，為使降塵用活性磁化水具有最佳的濕潤性能，其最佳磁化參數(shù)應(yīng)設(shè)置為磁場強(qiáng)度350 mT、水流速度4 m/s。

圖5 過度磁化對表面活性劑在氣-液界面吸附方式的影響Fig.5 Effect of excessive magnetization on the adsorption method of surfactant on the gas-liquid interface

2.3.2磁化裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

雖然磁場磁化能增強(qiáng)活性劑溶液濕潤降塵性能，但現(xiàn)有大部分磁化器主要應(yīng)用于水凈化處理領(lǐng)域，并不是以改善溶液濕潤性能作為技術(shù)評價(jià)指標(biāo)，且存在磁場強(qiáng)度不均衡、穩(wěn)定性差，磁化能力弱的問題，無法有效提高噴霧降塵用水的濕潤性能。因此，為便于井下現(xiàn)場降塵用活性磁化水的制備，在上述所得新型活性劑及活性磁化水最佳磁化參數(shù)的基礎(chǔ)上，發(fā)明了一種適用于制備煤礦井下降塵用磁化水的高效磁化裝置，其結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 高效磁化裝置結(jié)構(gòu)Fig.6 Structure of an efficient magnetic apparatus(a)磁化裝置橫截面;(b)磁化裝置外部磁鐵排布方式;(c)磁化裝置水流內(nèi)部螺旋結(jié)構(gòu)

基于獨(dú)特的磁鐵排布形式及水流磁化通道設(shè)計(jì)，該新型磁化裝置形成了一套高效的水磁化方法。如圖6(a)，(b)所示，該磁化裝置內(nèi)外磁鐵采用交錯(cuò)式排布，這種排布形式相對于現(xiàn)有磁化器所普遍采用的單一磁場布置，能形成具有強(qiáng)弱交替且較為穩(wěn)定的300～350 mT強(qiáng)磁場環(huán)境，實(shí)現(xiàn)了對水流持續(xù)有效的脈動(dòng)切割磁化，使流經(jīng)的溶液獲得良好的磁化效果。此外，該裝置內(nèi)部水流通道采用螺旋推進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如圖6(c)所示，一方面該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)增加了水流磁化的路程，另一方面使水的湍流度增加;水流在螺旋推進(jìn)磁化過程中，相對于一般直流式磁化通道來說，更益于水流的均勻磁化;為了能獲得具有較好濕潤粉塵性能的活性磁化水，根據(jù)所需處理的水流量以及上述實(shí)驗(yàn)研究所確定的最佳水流磁化速度確立了該磁化裝置內(nèi)部螺旋推進(jìn)結(jié)構(gòu)的螺距大小為50 mm。

基于以上磁化方法及原理，發(fā)明了一種高效的水溶液磁化裝置，為了進(jìn)一步驗(yàn)證該新型磁化裝置在改善水濕潤性能方面的優(yōu)越性，與現(xiàn)有直通式磁化器進(jìn)行了對比測試實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明:新型磁化器改善溶液濕潤性能的能力相對于現(xiàn)有磁化器有了大幅的提高，如圖7所示。

圖7 不同磁化裝置作用下水性能對比測試Fig.7 Comparative experiment of water features under the effect of various magnetic devices

2.4 活性磁化水產(chǎn)生系統(tǒng)及工藝

為適應(yīng)煤礦井下狹窄的工作環(huán)境及高效制備活性磁化水，筆者所在團(tuán)隊(duì)研發(fā)了一套井下降塵用活性磁化水產(chǎn)生系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要包括活性劑添加裝置、混合裝置、噴霧加壓裝置、磁化裝置4部分(圖8(a))。由于活性磁化水所需表面活性劑用量僅為降塵用水量的0.03%，因此為了實(shí)現(xiàn)小劑量活性劑的準(zhǔn)確添加，在應(yīng)用過程中需先配制5%的濃溶液，根據(jù)工作面除塵用水量，采用玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)與定量泵雙向調(diào)節(jié)的方法來準(zhǔn)確添加所需的表面活性劑濃溶液;濃溶液與降塵用水通過靜態(tài)混合器內(nèi)部風(fēng)葉旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的充分混合，得到降塵用0.03%活性劑水溶液，由于降塵水在水壓3～4 MPa時(shí)才能形成較好的水霧環(huán)境，因此0.03%水溶液需先經(jīng)噴霧泵加壓獲得噴霧所需的穩(wěn)定水壓;其高壓水溶液通過磁化裝置的高效磁化處理，形成具有強(qiáng)濕潤性能的活性磁化水，最后經(jīng)采煤機(jī)所布置的噴霧裝置形成小粒徑霧滴，實(shí)現(xiàn)活性磁化水的高效捕塵，現(xiàn)場應(yīng)用如圖8(b)，(c)所示。

圖8 活性磁化水產(chǎn)生系統(tǒng)及工藝Fig.8 Schematic diagram of surfactant-magnetized water generation system and process

3 現(xiàn)場應(yīng)用

山東魯泰控股集團(tuán)有限公司鹿洼煤礦隨著煤礦井下采煤機(jī)械化水平的提高，該礦工作面粉塵量大幅度增加，現(xiàn)有降塵技術(shù)已無法滿足要求，致使煤礦井下職工的身心健康及企業(yè)安全生產(chǎn)時(shí)刻受到粉塵的威脅，為了對煤礦井下粉塵進(jìn)行有效地防治及進(jìn)一步驗(yàn)證該新型降塵技術(shù)的作用效果，在23下012采煤工作面應(yīng)用了活性磁化水高效降塵技術(shù)。

采煤機(jī)正常割煤的情況下，按照國家標(biāo)準(zhǔn)(GB5748—85，MT79—84)確定試驗(yàn)工作面的粉塵采樣點(diǎn)為采煤機(jī)司機(jī)處、采煤機(jī)下風(fēng)側(cè)10，20，30，50 m及回風(fēng)巷距回風(fēng)隅角20 m六個(gè)測點(diǎn)，同時(shí)根據(jù)國標(biāo)GBZ/T 192.1—2007《工作場所空氣中粉塵測定》，使用AKFC-92A型礦用粉塵采樣器對各個(gè)測點(diǎn)的全塵及呼塵濃度進(jìn)行測量，每個(gè)測點(diǎn)測量3次，取平均值，其測點(diǎn)粉塵濃度見表3。

表3不同噴霧降塵技術(shù)條件下粉塵濃度
Table3Dustconcentrationbeforeandafterapplyingdifferentdustcontroltechnologiesmg/m3

測點(diǎn)未噴霧全塵呼塵水噴霧全塵呼塵磁化水全塵呼塵活性水全塵呼塵活性磁化水全塵呼塵采煤機(jī)206.4100.2094.9470.1578.4353.859.333.9041.9024.95煤機(jī)下10m262.9144.60128.8097.9392.0162.165.246.7243.4028.10煤機(jī)下20m224.9130.70115.7086.3087.1054.356.341.3330.7017.39煤機(jī)下30m237.7138.3099.8380.2287.9559.157.139.1026.3019.74煤機(jī)下50m203.7115.10100.7065.0872.1045.845.232.0529.2515.83回風(fēng)巷90.370.4540.3035.3030.9028.320.319.5414.1010.85

式中，η為噴霧降塵效率，%;C為未采取噴霧降塵技術(shù)所搜集到的粉塵濃度，mg/m3;c為采取噴霧降塵技術(shù)后所采集到的粉塵濃度，mg/m3。

為了便于對比分析活性磁化水、水、活性劑溶液、磁化水間的降塵效果，進(jìn)而驗(yàn)證活性磁化水所具有的優(yōu)越降塵性能，通過公式(1)對以上6個(gè)測點(diǎn)在不同噴霧技術(shù)條件下的降塵效率進(jìn)行計(jì)算，并對其取平均值得到各噴霧降塵技術(shù)在整個(gè)工作面的降塵效率，其數(shù)值如圖9所示。

圖9 不同噴霧降塵技術(shù)對全塵及呼塵的作用效果Fig.9 Average dust suppression efficiency of total or respirable dust under the conditions of different dust control technologies

從圖9可以得出應(yīng)用活性磁化水降塵技術(shù)后，23下012綜采工作面粉塵濃度得到了顯著抑制，特別是呼吸性粉塵濃度有了大幅度的下降。在相同水壓及噴霧條件下，該新型降塵技術(shù)對整個(gè)綜采工作面呼塵、全塵的平均降塵率分別達(dá)到了83.54%，84.75%，相對于水噴霧除塵技術(shù)其呼塵、全塵降塵效率分別提高了44.94%，31.79%。同時(shí)對比磁化水、活性劑溶液、活性磁化水降塵效果還可得出，活性劑的化學(xué)降塵與磁場磁化的物理降塵并不是簡單的疊加作用，而是在表面活性劑大大促進(jìn)水的濕潤性能降低煤塵的同時(shí)，磁化能夠進(jìn)一步增強(qiáng)溶液的降塵性能，進(jìn)而在活性劑與磁場磁化彼此協(xié)同作用下，使得霧滴具有更強(qiáng)濕潤煤塵的能力，從而對綜采工作面煤塵進(jìn)行高效的防治，其現(xiàn)場應(yīng)用效果如圖10所示。

圖10 應(yīng)用不同降塵技術(shù)后采煤面工作環(huán)境Fig.10 Working environment of the coal mining face after applying various dust control technologies

4 結(jié) 論

(1)研發(fā)了一種用量少、能與磁場協(xié)同作用高效改善水濕潤粉塵性能的新型活性添加劑，其使用量僅為0.03%，且溶液在確定的最佳磁場參數(shù)作用下，表面張力與原有未磁化相對比降低了7.2%左右，達(dá)到了28.07 mN/m，接觸角降至27.02°。

(2)為適應(yīng)煤礦井下狹小空間環(huán)境，提出了一種由定量添加裝置、靜態(tài)混合器、噴霧加壓裝置、磁化裝置構(gòu)成的活性磁化水產(chǎn)生系統(tǒng);同時(shí)基于脈動(dòng)切割磁化與螺旋擾流的高效磁化原理，發(fā)明了一套能形成較為穩(wěn)定強(qiáng)磁場環(huán)境的水溶液磁化裝置，實(shí)現(xiàn)了對水流持續(xù)有效的脈動(dòng)式切割磁化，達(dá)到了良好的磁化效果。

(3)應(yīng)用活性磁化水降塵技術(shù)后23下012采煤工作面粉塵濃度得到了大幅度地降低，相對于現(xiàn)有水噴霧降塵技術(shù)，該新型降塵技術(shù)對井下全塵及呼塵的除去效率分別提高了31.79%，44.94%，保障了煤礦井下職工的身心健康及企業(yè)的安全生產(chǎn)。

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Synergistictechnologybetweensurfactantandmagnetizedwaterforefficientdustcontrolinundergroundcoalmines

QIN Botao1,2,ZHOU Qun1,2,LI Xiulei3,WANG Jun1,WANG Huaizeng3,DING Yangwei3

(1.KeyLaboratoryofCoalMethaneandFireControl,MinistryofEducation,ChinaUniversityofMiningandTechnology,Xuzhou221116,China; 2.SchoolofSafetyEngineering,ChinaUniversityofMiningandTechnology，Xuzhou221116，China; 3.LuwaCoalMineofShandongLutaiHoldingGroupCo.,Ltd.,Jining272000,China)

In order to effectively control the floating coal dust in the underground mine,based on the synergistic theory between surfactants and magnetization,some experiments were carried out to measure the characteristics of solution under the various experimental conditions,such as surface tension,contact angle and dust suppression properties of solution,which validated that the magnetization can have the effective effect on the dust wettability of solution.And a compound surfactant was acquired,inducing excellent synergetic effects with magnetization.Additionally,the optimal magnetization parameters were confirmed by the above mentioned experiments,e.g.a magnetic intensity of 350 mT and water flow velocity of 4 m/s;while combining the efficiently magnetic methods of the interlaced arrangement of inside and outside magnets and a spiral propulsion magnetization of water flow,the magnetic device and system were proposed.Field application indicated that the 0.03% surfactant solution was effectively magnetized under the effect of alternating magnetization by the novel magnetic apparatus with the optimal magnetization parameters,of which dust control ability was improved by more than 9%;compared to that of water,the respirable dust and total dust suppression efficiency of surfactant-magnetized water is increased by 44.94% and 31.79%,respectively,significantly improving the work environment in the underground coal mine.

fully mechanized face;dust;surfactant-magnetized water;magnetic apparatus;dust suppression efficiency

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10.13225/j.cnki.jccs.2017.0573

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TD714

A

0253-9993(2017)11-2900-08

2017-04-27

2017-08-21責(zé)任編輯常明然

國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃資助項(xiàng)目(2017YFC0805201);國家自然科學(xué)基金面上資助項(xiàng)目(51774273);江蘇省杰出青年基金資助項(xiàng)目(BK20140005)

秦波濤(1977—)，男，重慶忠縣人，教授，博士生導(dǎo)師。Tel:0516-83885694，E-mail:qbt2003@163.com